机器学习技术与应用 课件 第8课 运动学构形与参数

智能机器人技术与应用“十四五”职业教育人工智能技术应用专业系列教材第8课运动学构形与参数231知识目标（1）熟悉机器人与机械臂的概念与区别。（2）熟悉机器人坐标系，了解机器人运动学基础。（3）了解常用运动学构形，了解机器人主要技术参数。能力目标（1）掌握专业知识的学习方法，培养阅读、思考与研究的能力。（2）积极参与“研究性学习小组”活动，提高组织活动的能力，具备团队精神。素质目标（1）热爱学习，掌握学习方法，提高学习能力。（2）热爱读书，善于分析，勤于思考，培养关心人工智能技术进步的优良品质。（3）体验、积累和提高“大国工匠”的专业素质。学习目标

愿景

体验

创意

实践重点难点（1）掌握机器人常用坐标系知识。（2）掌握运动学基础知识和常用运动学构形。目录机器人和机械臂区别01机器人常用坐标系02运动学基础03常用运动学构形04机器人主要技术参数05机器人常用材料06第8课运动学构形与参数运动学是力学的一门分支，专门描述物体的运动，即物体在空间中的位置随时间的演进而作的改变，其中不考虑作用力或质量等影响运动的因素。运动学与力动学、动力学不同。力动学专门研究造成运动或影响运动的各种因素，动力学综合运动学与力动学，研究力学系统由于力的作用随着时间演进而造成的运动。机器人和机械臂区别0101

机器人和机械臂区别工业机器人是自动执行工作的机器装置（见图8-12左图），是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照人类预先编排的程序运行，现代工业机器人可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。未来，机器人将更多地协助或取代人类的工作，特别是一些重复性的工作或危险的工作等。工业机械臂（见图8-12右图）是“一种固定或移动式的机器，其构造通常由一系列相互链接或相对滑动的零件组成，用以抓取或移动物体，能够实现自动控制、可重复程序设计、多自由度

（轴）。其工作方式主要通过沿着X、Y、Z轴上做线性运

动以到达目标位置。”01

机器人和机械臂区别（a）工业机器人（b）机械臂图8-12工业机器人（左）与机械臂01

机器人和机械臂区别机械臂是机器人领域中使用最为广泛的一种机械装置，应用于工业、医疗甚至军事、太空等领域。机械臂分四轴、五轴、六轴、多轴、3D/2D机器人、独立机械臂、油压机械臂等，虽然种类繁多，但它们有一个共同点，就是能接收指令并精确定位到三维（或者二维）空间上的某个点进行作业。01

机器人和机械臂区别欧美国家一般认为机器人应该是由计算机控制的，通过编程使机器人成为多功能的自动机械；日本则认为机器人本身就是高级的自动机械，所以机械臂就被包含在日本的机器人定义中。欧美国家认为6轴及以上的机械臂可以称为机器人，5轴及以下的只能叫机械臂；日本则把3轴及以上的机械臂定义为机器人。01

机器人和机械臂区别现在国际上对机器人的概念已基本趋于一致，即机器人是靠自身动力和控制能力实现各种功能的一种自动化机械。机械臂在工业界应用广泛，其包含的主要技术是驱动和控制，机械臂一般都是串联结构。

图8-13机械臂机器人常用坐标系0202

机器人常用坐标系坐标系是为确定机器人的位置和姿态，而在机器人或空间上进行定义的指标系统。在机器人领域，坐标系分为关节坐标系和直角坐标系。关节坐标系直角坐标系用户坐标系世界坐标系和工具坐标系02

机器人常用坐标系02

机器人常用坐标系8.2.1关节坐标系关节坐标系是设定在机器人关节中

的坐标系，其中机器人的位置和姿

态以各关节底座侧的关节坐标系为

基准来确定。

图8-14关节坐标系02

机器人常用坐标系8.2.2直角坐标系直角坐标系中机器人的位置和姿态，通过从空间上直角坐标系原点到工具侧的直角坐标系原点（工具中心点）的坐标值x、y、z和空间上直角坐标系的相对X轴、Y轴、Z轴周围工具侧的直角坐标系回转角w、p、r来定义。

图8-15关节坐标系02

机器人常用坐标系8.2.3世界坐标系和工具坐标系世界坐标系是在空间上的标准直角坐标系，它被固定在由机器人事先确定的位置。工具坐标系是用来定义工具中心点的位置和工具姿态的坐标系。

工具坐标系必须事先进行设定。在没有定义的时候，

将由默认工具坐标系来替代该坐标系。

图8-16世界坐标系和工具坐标系02

机器人常用坐标系8.2.4用户坐标系用户坐标系是基于世界坐标系而设定的，用于位置数据的示教和执行，它是用户对每个作业空间进行定义的直角坐标系，用于位置寄存器的

示教和执行、位置补偿指令的执行等。当没有

定义时，由世界坐标系来替代用户坐标系。

图8-17用户坐标系运动学基础0303

运动学基础运动学是力学的一门分支，专门描述物体的运动，即物体在空间中的位置随时间的演进而作的改变，而不考虑作用力或质量等等影响运动的因素。运动学与力动学、动力学不同。力动学专门研究造成运动或影响运动的各种因素，动力学综合运动学与力动学，研究力学系统由于力的作用随着时间演进而造成的运动。在机器人领域，主要关注涉及机械

臂的运动学、逆运动学、动力学、

轨迹规划、线性控制（或

非线性控制）等。图8-18机器人的运动逆运动学动力学线性控制03

运动学基础03

运动学基础8.3.1逆运动学逆运动学是决定要达成所需要姿势而设置的关节可活动对象的参数的过程。例如，给定一个人体的三维模型，如何设置手腕和手肘的角度以便把手从放松位置变成挥手的姿势？这个问题在机器人学中很关键，因为操纵机械手臂是通过关节角

度来控制的。逆运动学在游戏编程和三维建模中也很

重要。

图8-19逆运动学示意03

运动学基础以关节连接的物体由一组通过关节连接的刚性片段组成，变换关节的角度可以产生无穷的形状。正向运动学问题的解，是给定物体的姿势时（例如，给定终端效果器的位置）找到关节的角度。一般情况下，逆运动学问题没有解析解。但是，逆运动学可以通过非线性编程技术来解决。特定的特殊运动链——那些带有球形腕的——允许运动去耦合。这使得我们可以把终端效果器的朝向和位置独立处理，并导致一个高效的闭形式解。在动画涉及中逆运动学问题很重要。艺术家发现表达空间的形象比控制关节角度来要容易得多。

逆运动学算法的应用包括交互操纵，动画控制和碰撞避免等。03

运动学基础8.3.2动力学动力学是经典力学的一门分支，主要研究运动的变化与造成该变化的各种因素。换句话说，动力学主要研究的是力对于物体运动的影响。运动学则是纯粹描述物体的运动，完全不考虑导致运动的因素。更仔细地说，动力学研究由于力的作用，物理系统怎样随着时间的演进而改变。动力学的基础定律是艾萨克·牛顿提出的牛顿运动定律。对于任意物理系统，只要知道其作用力的性质，引用牛顿运动定律，就可以研究这作用力对于这物理系统的影响。在经典电磁学里，

物理系统的动力状况涉及了经典力学与电磁学，需要使用牛顿运动定律、麦克斯韦

方程、洛伦兹力方程来描述。自20世纪以来，动力学又常被人们理解为侧重于工程

技术应用方面的一个力学分支。动力学是机械工程的基础课程。03

运动学基础8.3.3线性控制线性控制理论是系统与控制理论中最为成熟和最为基础的一个组成分支，是现代控制理论的基石。系统是由相互关联和相互作用的若干组成部分，按一定规律组合而成的具有特定功能的整体。系统可具有完全不同的属性，如工程系统、生物系统、经济系统、社会系统等。但是，在系统理论中，常常抽去具体系统的物理或社会含义而把它抽象化为一个一般意义下的系统而加以研

究，这种处理方法有助于揭示系统的一般特性。系统最基本的特征是它的整体性，

系统的行为和性能是由其整体所决定的，系统可以具有其组成部分所没有的功能，

有着相同组成部分但它们的关联和作用关系不同的两个系统可呈现出很不相同的行

为和功能。03

运动学基础线性系统是实际系统的一类理想化了的模型，通常可以用线性的微分方程和差分方程来描述。在系统与控制理论中，主要研究动态系统，通常也称其为动力学系统。动态系统常可用一组微分方程或差分方程来表征，并且可对系统的运动和各种性质给出严格和定量的数学描述。当描述动态系统的数学方程具有线性属性时，称相应的系统为线性系统。线性系统是一类最简单且研究得最多的动态系统。03

运动学基础严格地说，一切实际系统都是非线性的，真正的线性系统在现实世界并不存在。但是，很大一部分实际系统的某些主要关系特性，在一定的范围内可以充分精确地用线性系统来加以近似地代表，并且实际系统与理想化了的线性系统间的差别，对于所研究的问题而言已经小到无关紧要的程度而可予以忽略不计。因此，从这个意义上说，线性系统或者可线性化的系统又是大量存在的，而这正是研究线性系统的实际背景。常用运动学构形0404

常用运动学构形随着机器人的应用范围越来越广，机器人的不同任务和环境由于事先无法确定，于是可重构模块化机器人应运而生，它由一系列不同尺寸的关节模块和连杆模块根据特定任务的要求装配而成。构形设计是可重构模块化机器人设计的重要内容之一。根据可重构机器人构形设计的特点，将其分为概念构形设计和具体构形设计两个阶段。概念构形设计的结果是确定能完成给定任务的机器人的体系结构，它反映了机器人的基本结构构形；具体构形设计的结果是确定完成任务的机器人的特定模块以及它们之间的链接关系；最后，选

用遗传算法作为构形设计的寻优方法。04

常用运动学构形机器人的几种常用结构形式如右图所示。图8-20机器人的几种常用结构形式04

常用运动学构形一旦机械臂的自由度数确定之后，必须合理布置各个关节来实现这些自由度。对于串联的运动连杆，关节数目等于要求的自由度数目。大多数机械臂的设计是由最后n-3个关节确定末端执行器的姿态，且它们的轴相较于腕关节原点，而前面3个关节确定腕关节原点的位置。采用这种方法设计的机械臂，可以认为是由定位结构及其后部串联的定向结构或手腕组成的。战场上初露锋芒现代战争中代替侦察兵百年前先驱探索新科技助力指令控制民用无人机迅猛发展04

常用运动学构形04

常用运动学构形8.4.1笛卡尔机械臂笛卡尔坐标系又叫直角坐标系，它通过一对数字坐标在平面中唯一地指定每个点。该坐标系以相同的长度单位测量两个固定的垂直有向线的点的有符号距离。每个参考线称为坐标轴或系统的轴，它们相遇的点通常是有序对（0,0）。坐标也可以定义为点到两个轴的垂直投影的位置，表示为距离原点的有符号距离。04

常用运动学构形笛卡尔机械臂的关节1到关节3相互垂直，分别对应于笛卡尔坐标系的X、Y、Z三轴。利用笛卡尔坐标原理设计的机械臂很容易通过计算机控制实现，容易达到高精度。而缺点是占地面积大，运动速度低，密封性不好。图8-21笛卡尔机械臂04

常用运动学构形笛卡尔机械臂通常用在焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种，少批量的柔性化作业，对于提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代有着十分重要的作用。04

常用运动学构形8.4.2关节型机械臂关节，又称铰链，关节型机械臂又称铰接型机械臂或拟人机械臂，关节全都是旋转的，这种类型的机械臂通常由两个“肩”关节、一个肘关节以及2个或

者3个位于机械臂末端的腕关节组成。图8-22关节型机械臂04

常用运动学构形关节型机器人减少了机械臂在工作空间中的干涉，使机械臂能够到达指定的空间位置。它们的整体结构比笛卡尔机械臂小，可应用于工作空间较小的场合，成本较低。关节型机械臂是工业机器人中最常见的结构，它的工作范围较为丰富。（1）汽车零配件、模具、钣金件、塑料制品、运动器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速检测及产品开发。（2）车身装配、通用机械装配等制造质量控制等的三坐标测量及误差检测。（3）古董、艺术品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。（4）汽车整车现场测量和检测。（5）人体形状测量、骨骼等医疗器材制作、人体外形制作、医学整容等。04

常用运动学构形8.4.3SCARA机械臂SCARA构型有三个平行的旋转关节（见图8-23），使机器人能在一个平面内移动和定向，第四个移动关节可以使末端执行器垂直于该平面。这种结构的主要优点是前三个关节不必支撑机械臂或负载的任何重量，便于在连杆0中固定前两个关节的驱动器。因此，驱动器可以做得很大，从而可使机器人快速运动。04

常用运动学构形图8-23SCARA机械臂04

常用运动学构形SCARA机器人常用于装配作业，最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性，而沿z轴具有很强的刚性，所以，它具有选择性的柔性。（1）大量用于装配印刷电路板和电子零部件；（2）搬动和取放物件，如集成电路板等；（3）广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域；（4）搬取零件和装配工作。04

常用运动学构形8.4.4球面坐标型机械臂球面坐标构型如图8-24所示，它与关节型机械臂有很多相似之处，但是用移动关节代替了肘关节。这种设计在某些场合比关节型机械臂更加适用，其移动连杆可以伸缩，缩回时，甚至可以从后面伸出。它的中心支架附近的工作范围大，两个转动

驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。但该坐标复杂，难

于控制，且直线驱动装置存在密封的问题。图8-24球面坐标型机械臂04

常用运动学构形8.4.5圆柱面坐标型机械臂圆柱面坐标型机械臂（见图8-25）由一个使手臂竖直运动的移动关节和一个带有竖直轴的旋转关节组成，另一个移动关节与旋转关节的轴正交，还有一个某种形式的腕关节。圆柱面坐标型机械臂计算简单；直线部分可采用液压驱动，可输出较大的动力；能够伸入型腔式机器内部。缺点是它的手臂可以到达的空间受到限制，不能到达近立柱或近地面的空间；直线驱动部分难以密封、防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。04

常用运动学构形图8-25圆柱面坐标型机械臂机器人主要技术参数0505

机器人主要技术参数机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、最高操作性能等情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。（1）轴的数量。两个轴需要到达平面上的任何一点；到达空间中的任何一点都需要三个轴。为了完全控制臂末端的方向（即手腕）还需要三个轴（偏航、俯仰和滚转）。一些设计（例如SCARA机器人）在成本、速度和精度方面权衡了运动可能性的限制。（2）自由度。通常与轴的数量相同，指机器人具有的独立坐标轴运动的数目。机器人的自由度是指确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。机器人的自由度数一般等于关节数目，常用的为5~6个。05

机器人主要技术参数（3）工作空间。机器人手臂或手部安装点所能达到的空间区域。其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。机器人工作空间通常用图解法和解析法两种方法进行表示。（4）运动学。允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构，也就是机器人中刚性构件和关节的实际布置，决定了机器人可能的运动。机器人运动学的类别包括关节式、笛卡尔式、平行式和SCARA式。（5）工作载荷。指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩表示。还和运行速度和加速度大小方向有关，一般规定高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。05

机器人主要技术参数（6）速度。指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。即机器人能以多快的速度定位手臂末端，这可以根据每个轴的角速度或线速度来定义，或者定义为复合速度，即当所有轴都移动时臂末端的速度。（7）加速。轴加速的速度。由于这是一个限制因素，机器人可能无法在短距离或需要频繁改变方向的复杂路径上达到其指定的最大速度。（8）准确性。机器人能多接近指令位置。当测量机器人的绝对位置并与命令位置进行比较时，误差是精度的量度。精度可以通过外部感测来提高，例如视觉系统或红外线。请参见机器人校准。精度可以随工作包线内的速度和位置以及有效载荷而变化（参见合规性）。05

机器人主要技术参数（9）可重复性。机器人返回编程位置的能力。当机器人被告知去某个X-Y-Z位置时，它可能只能到达距离那个坐标的1mm以内。这是它的精度，可以通过校准来提高。但是如果该位置被示教到控制器存储器中，并且每次发送到那里时，它都返回到示教位置的0.1mm以内，那么重复性将在0.1mm以内。重复性通常是机器人最重要的标准，与测量中的“精度”概念相似。（10）精度。重复性或重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。或在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。

它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。（11）分辨率。能够实现的最小移动距离或最小转动角度。05

机器人主要技术参数（12）运动控制。对于一些应用，例如简单的抓放装配，机器人只需要重复返回到有限数量的示教位置。对于更复杂的应用，如焊接和精加工（喷漆），必须连续控制运动以遵循空间路径，并控制方向和速度。（13）动力源。一些机器人使用电动马达，少部分机器人使用液压致动器。前者更快，后者更强。后者在喷漆等应用中更有优势，在喷漆中电火花可能引发爆炸；然而，臂的内部